【科技动态】未来的纳米器件：旋转碳纳米管电机
图片说明：五种模拟的双壁碳纳米管，其中蓝色和橙色分别表示内管和外管参数。图片来源：Cai, et al.©2014 IOP Publishing Ltd
作为最简单和最小的电机之一，包含一个旋转内管和一个固定外管的双壁碳纳米管（double-walled carbon nanotube，DWCNT）将在未来纳米器件中发挥重要作用。在最新的研究中，研究人员研究在恒定的高温条件下，DWCNT内管的旋转行为。
来自中国西北农林科技大学和澳大利亚国立大学的研究人员K Cai等在最新一期的Nanotechnology杂志上，详细介绍了有关DWCNT旋转电机的研究进展。
科学家解释说DWCNT有潜力成为一种高效的电机，这主要是由于它结合了两种重要特性：强共价键导致的单根管内的高强度，以及范德瓦尔斯力导致的两根相邻管的弱相互作用力。
正如之前的研究所述，内管可以通过转动或平移运动（向前或向后）移动至外管中。这两种类型的运动通常结合在一起，从而形成管的螺旋形运动。内管的这一特殊运动轨迹由其与外管的原子相互作用力所决定。之前的研究已展示了DWCNT的许多纳米级运动现象，比如几乎可以忽略不计的摩擦力和与温度梯度成正比的驱动力。
图片说明：模拟实验中，在第3000皮秒和第3001皮秒的DWCNT内管旋转示意图。图片来源：Cai, et al.©2014 IOP Publishing Ltd
在最新的研究中，研究人员通过模拟发现无梯度变化的恒温条件可使DWCNT转动。大约在室温下（300K），内管失去其几何对称性，并开始转动。研究人员发现了三种影响内管转动的因素：环境温度、外观固定部分的长度和管间间距。
研究人员通过分子动力学模拟发现，相比于较低温度，在300K时，随着内管的动能越来越高，内管的转动频率增加。因为内管产生了更高的扭矩，所以当外管的全长不变时，其转动频率同样增加。另外，当管间间距接近于石墨烯薄片之间的临界距离，即0.335nm时，转动频率也会增加。但管间间距小于此距离，管间摩擦力增加，而当管间间距变大时，各管中的相互作用力变弱，同样转动也会减弱。
为了无梯度温度场驱动的DWCNT转动电机在下一代纳米机电系统中广泛应用，还需要进一步的研究。
Cai对Phys.Org网 说：“与其他任何纳米电机相比，比如电动电机和流动气体驱动电机，热DWCNT电机更简单，更小，操作起来也更方便。尤其是，其内管的转动频率范围广，可用于电磁纳米器件中的信息传递，诸如转换器和存储器等。”
在未来工作中，研究人员将研究逐步改善此电机的性能。
Cai说：“我们需要设计一种稳健的DWCNT电机。比如，应当有更稳定的纳米结构、可精确调节的转动状态，并可在局域电磁场中进行测量。”
（来源：科学之家）
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